SIEMENS 840D 係統的數控機床誤差補償研（yán）究
2020-5-18 來源：廣東工貿職業技術學院 作者：邱騰雄
摘要： 從數控機床基本概念和機床誤差存（cún）在的原因出發（fā），針對機床誤差（chà）的主（zhǔ）要（yào）因素提出數控機床實施誤差補償的步驟。 並對 SIEMENS 840D 數（shù）控係統（tǒng）自帶的補償功能體係進行了研究和分析，為後續加工（gōng）生（shēng）產提供了理論（lùn）指導，具有（yǒu）理論與實踐的雙重意義。
關鍵（jiàn）詞： 數控機（jī）床； 幾何誤差； 熱誤（wù）差； 誤差補償
0 引言
隨著現（xiàn）代製造技術水平的不斷提高，精密加工技術不斷發展，對於數控機床加工精度的要求也越來越高。 而數控機床在實際生（shēng）產過程中的各項誤差是造成加工精度達不到要求的最（zuì）大原因。 數控機床誤差的成因千差萬別，從機（jī）械零部件的角度（dù）上講，由於各部件的尺寸及裝配過程均存在一定的（de）誤差，當各類零件互相組合之後，整體的誤（wù）差被放（fàng）大了若幹倍形成更大的誤差；從運動控製的（de）角度上講，先期（qī）的程序編製（zhì）和運行中的（de）反（fǎn）饋誤差都是（shì）製約數控機床精度的重要因素；在機床精密加工中（zhōng），機床的幾何誤差及熱誤差是製約（yuē）加（jiā）工（gōng）精度的主要因素。 而在（zài）數控機床的各組成部件中，給係統的幾何誤差和熱誤差對機床的整體精度影響又是最顯著的（de），以通過研究幾何誤差和熱誤差來提高機床的精度具有重要的意義。
SIEMENS 840D 型數控機床是由西門子（zǐ）公司（sī）開發的，由數控及驅（qū）動單元（CCU 或 NCU）、MMC,PLC模塊三部（bù）分組成的，具有強大誤差補償（cháng）功能，能夠實現溫度補償、反向間（jiān）隙誤差補償和插補補償的綜合控製係統的數控機床。
1 、數控機床的誤差補償方法研究
誤差補償是相對於誤差防止而提出的，傳統的補償防（fáng）止方（fāng）法是通過機床的結構設計優化、改（gǎi）善機床的使用環境（jìng），從而在源頭上消除或補（bǔ）償各種誤差。在操（cāo）作層麵，由於誤差具（jù）有明顯的規律性，所以建立合理的（de）數學模型並采用有效的控製算法可以顯著（zhe）地（dì）降低操作過程中的各類誤差，保證機床（chuáng）運轉的精度。數控機床實（shí）施（shī）誤（wù）差補償涉（shè）及主要的步驟：
（1）對數控機床誤差、機床溫度進行測試，並在此基礎上分析其產生（shēng）的規律和機理；
（2）根（gēn）據誤（wù）差分析建立數學模型，然後根據（jù）需要進行誤差補償器軟件和硬件的開發； 製作與機床數控係統實時數（shù）據交（jiāo）互的模塊，實現（xiàn）與機床之（zhī）間的異步通（tōng）信；
（3）關鍵模塊的開發和配置，在部署好通信交互模（mó）塊後，要對各個誤差（chà）補（bǔ）償器模塊（kuài）進行部署和安裝，實現與交互係統的實（shí）時（shí）交互。
2 、SIEMENS 840D 係統的數控機床誤（wù）差補償實施研究
（1）溫度補償
數控機（jī）床在實際加工過程中，因使用環境溫（wēn）度（dù）的變化、機床（chuáng）各個運動部件（jiàn）之間的相互摩（mó）擦產生熱量及電動機的運行發熱，從而（ér）使（shǐ）得對機（jī）床運動軸位置產生（shēng）附加誤（wù）差，最終（zhōng）影（yǐng）響工件的加工精度。 SIEMENS 840D係統提供的溫度補償（cháng）功能能夠較（jiào）好地解決這一熱（rè）變形問題。通過引入擬合誤（wù）差直線方程，即運（yùn）動軸處在Sx位置時（shí）的定位誤差溫度（dù）補償值。
ΔLx=L0+（Sx－S0）tan θ （1）
式中 L0———與運動軸位置不相（xiàng）關的（de）溫度補償值（zhí）；
Sx———運動軸在（zài）某一時刻的實際位置；
S0———運動軸的參考點；
tan θ———與運（yùn）動軸的實際位置相（xiàng）關的溫度偏差補（bǔ）償係（xì）數。
在 SIEMENS 840D 數控（kòng）係統中 ,SD43900 用來表示與位置無關的溫度補（bǔ）償 值 L0；SD43910 用來表示溫度為（wéi） T 時的誤差擬合直線斜率 tan θ(T)；SD43920 用來表示（shì）溫度補償參考點坐標 S0。
SIEMENS 840D 數控係統為溫度補償提供了 3種方（fāng）式進行設置：
①當參數（shù） MD32750 設置為 1 時，執行位置（zhì）無關溫（wēn）度補償；
②當（dāng）參數 MD32750 設置為2 時，執行位置相關溫度補償；
③而當參（cān）數 MD32750設置為 0 時，則不（bú）進行溫度補償。 其執行溫度補（bǔ）償的工作過程（chéng）是將係統檢測到的溫度偏差值送到 NC插補單元中參與插補運算從而實現軸運動的修正；當（dāng）溫度偏差值為正值時 ，控製軸向負方向運動 ；當溫度偏差值為負（fù）值時 ，控製軸向正方（fāng）向運動 。SIEMENS 840D 數控係統（tǒng）對於機床溫度的采樣（yàng） ，是由 PLC 程序定時間隔對溫度進（jìn）行采樣，將相關補償參數代入式（1）中，得出溫度偏差 ΔLx，從而實現機（jī）床的溫度偏差補償。
（2）反向間隙補償
數控機床反向（xiàng）間隙補償是由於機床傳（chuán）動鏈中各傳動單元綜合間（jiān）隙的存在，機床在從（cóng）正向運（yùn）動變為反向（xiàng）運動時（shí），執行件的（de）運動量與目標值存（cún）在的誤差（chà），最後反映為疊加至工件上的加工精度。
SIEMENS 840D 係統提供了 3 個機床參數用於反（fǎn）向（xiàng）間隙補償：
①當選（xuǎn）取反向間隙補償值 MD32450BACKLASH[n]時，當 n=[0]時為半閉環，當 n=[1]為全閉環；
②當選取反向間隙（xì）補償倍率參數 MD32452BACKLASH_FACTOR，以數值的形式控製反向間隙補償的（de）力度，其數值在 0.01～100.0；
③當選取（qǔ）位置（zhì）實際值（zhí）轉換允差 MD36500 ENC_CHANGE_TOL 模式時，監控（kòng） MD36500 設置值的變化值，以此來確保反向（xiàng）間隙補償（cháng）在（zài） n 個伺（sì）服周（zhōu）期內走（zǒu）完流程。
（3）螺距誤差補償
數控機床傳動機構（gòu）中的滾珠絲杠副、齒輪傳（chuán）動和螺母副等在生產製造（zào）和裝配過（guò）程中都存在一定的誤差, 使用高精度位置測量係統測出機（jī）床（chuáng）軸的指令位置與其所在的（de）實際位置的差異，將該差異按照（zhào）表格輸入 SIEMENS 840D 係統，係統將（jiāng）在插補周期內根據當前（qián）坐標（biāo）位置把對應的補償（cháng）值疊加（jiā）到位（wèi）置調節器中，主要涉及的參數如表（biǎo） 1 所示。
SIEMENS 840D 係統螺距（jù）補償主要（yào）需經曆定義（yì）軸的工作區間，補償間隔及補（bǔ）償範（fàn）圍；設定最大補償點數，備份數據；連接上位機，選擇通訊方（fāng）式和（hé）通（tōng）訊參數；設定補償軸的最小測（cè）點，最大測點，及測點（diǎn）間隔， 並用激光幹涉（shè）儀測出各測點的螺（luó）距誤差； 設定MD32700=0，再把此補償文件通過，上下位機通信 ，再設定 MD32700=1，NCK 複位，回參考點，新補償（cháng）值將生效等主要步驟，可以獲得良好的補償效果。
（4）垂直誤差補償
對於數控機床，在其安裝的工具頭的重（chóng）量或鏜杆的自重的作用下，其相關軸產生了相對於基準位置的傾斜；也就是，一個軸由於（yú）本身（shēn）的重量導致其與另一個（gè）軸的相對位置產生（shēng）了變化，造成了垂直誤差（chà），因此數控機床需要有垂直誤差補償功能。SIEMENS 840D係統的垂（chuí）直誤差補償功能是以（yǐ）參數變量通過零件程序（xù）形式或通用啟動文件(_INI 文件)形式來表達。 其描述如表 2 所示。
表 2 SIEMENS 840D 係（xì）統（tǒng）垂直誤差補償主（zhǔ）要參數（shù）
SIEMENS 840D 係統垂直補償主要需（xū）定義軸的名（míng）稱（chēng）、軸和補償起點、補償間隔、補償終（zhōng）點（diǎn），測量軸的垂度誤差 ； 設 置 MD18342參數值 ， 設 置MD32710=0；連接上位機（jī） ，選擇通訊（xùn）方式（shì）和通訊（xùn）參數； 在上位機（jī）上編輯文件並傳送回 SIEMENS 840D係統；設置MD32710=1，SD43100=1，設置複（fù）位並回參考點, 補償值將自動生效等主要步驟，可以獲得良好的補償效果。
3 、結語
本文首（shǒu）先介紹（shào）了數（shù）控機床基（jī）本概念和機（jī）床誤差存在的原（yuán）因，針對（duì）機床誤差的主要因素提出數控機床實施誤差補償的（de）步驟 ， 然後具體結合 SIEMENS840D 係統分（fèn）別在溫度補償、反向間隙補償、螺距誤差補償、垂直誤（wù）差補償進行了原（yuán）理性和操作的詳細分（fèn）析，為後續加工生產提供了理論（lùn）指導，具有理論與實踐的雙（shuāng）重意義。
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